Entropía 2001, 3, 116-149 

entropía 

ISSN 1099-4300 www.mdpi.org/entropy/ 

Energía, entropía y exergía Conceptos y sus roles en Ingeniería Térmica 

Ibrahim Dincer 1 y Yunus A. Cengel 2

 

 1 Departamento de Ingeniería Mecánica, KFUPM, Box 127, 31261 Dhahran, Arabia Saudita. Tel: 966-3-860-

4497 Fax: 966-3-860-2949, E-mail: idincer@kfupm.edu.sa http://www.geocities.com/ibrahimdincer

 2 Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Nevada, Reno, NV 89557 EE.UU. Recibido: Marzo 22 2001 / Aceptado: Agosto 15 2001 / Publicado: 21 de agosto 2001   Resumen: Energía, conceptos de entropía y exergía proviene de la termodinámica y son aplicable a todos los

campos de la ciencia y la ingeniería. Por lo tanto, este artículo tiene la intención de proporcionar antecedentes

para una mejor comprensión de estos conceptos y sus diferencias entre las diversas clases de sistemas de

soporte de vida con una cobertura amplia. También cubre los principios básicos, las definiciones generales y

aplicaciones prácticas e implicaciones. Se presentan algunos ejemplos ilustrativos para destacar la importancia

de los aspectos de la energía, la entropía y exergía y su papel en la ingeniería térmica.

 Palabras clave: Energía, entropía, medio ambiente, exergía, termodinámica   Introducción 

La termodinámica es vista ampliamente como la ciencia de la energía, y la ingeniería térmica se ocupa de

hacer el mejor uso de los recursos energéticos disponibles. La termodinámica nombre proviene de las palabras

griegas Therme (calor) y dinámica (fuerza), lo que es más descriptiva de los primeros intentos de convertir el

calor en energía.Hoy en día el mismo nombre es interpretado ampliamente para incluir todos los aspectos de

las transformaciones de energía y de la energía, incluyendo la producción de energía, refrigeración, y las

relaciones entre las propiedades de la materia.

 La ciencia de la termodinámica se basa principalmente en dos leyes naturales fundamentales, conocidos

como la primera y la segunda ley. La primera ley de la termodinámica es simplemente una expresión del

principio de conservación de la energía. Afirma que la energía es una propiedad termodinámica, y que

durante una interacción,

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 La energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante. La

segunda ley de la termodinámica afirma que la energía tiene calidad, así como la cantidad, y los procesos

reales ocurrir en la dirección de disminución de la calidad de la energía.La energía térmica de alta temperatura

se degrada a medida que se transfiere a un cuerpo de menor temperatura. Los intentos de cuantificar la calidad

o el "potencial de trabajo" de la energía en la luz de la segunda ley de la termodinámica ha dado lugar a la

definición de las propiedades de la entropía y exergía.

 La primera y segunda leyes de la termodinámica surgieron simultáneamente en la década de 1850,

principalmente de las obras de William Rankine, Rudolph Clausius y William Thomson (más tarde Lord

Kelvin). Aunque los principios de la termodinámica han estado en existencia desde la creación del universo, la

termodinámica no surgieron como una ciencia hasta que la construcción de las primeras máquinas de vapor

atmosférico exitosos en Inglaterra por Thomas Savery en 1697 y Thomas Newcomen en 1712. Estos motores

eran muy lento e ineficiente, pero abrieron el camino para el desarrollo de una nueva ciencia.

 El alcance de este artículo se ilustra en parte en la figura. 1, donde se muestran los dominios de la energía,

la entropía y exergía. Este documento se centra en la parte del campo de la termodinámica que se cruza con

los campos de energía, entropía y exergía, y hace especial hincapié en la intersección de los tres dominios.

Tenga en cuenta que la entropía y exergía también se utilizan en otros campos (tales como estadísticas y teoría

de la información), y por lo tanto no son subconjuntos de energía. Además, algunas formas de energía (tales

como trabajo en el eje) son subtiende entropía libres, y por lo tanto la entropía sólo una parte del campo de la

energía. Del mismo modo, subtiende exergéticas sólo una parte del campo de la energía, así ya que algunos

sistemas (como el aire en condiciones atmosféricas) poseen energía, pero no exergía. La mayoría de los

sistemas termodinámicos (tales como vapor en una planta de energía) poseen energía, entropía y exergía, y

por lo tanto aparecen en la intersección de estos tres campos.

    

 ENTROPÍA ENERGÍA         Exergía     

 Figura 1. Las interacciones entre los dominios de la energía, la entropía y exergía.

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 2 Energía 2.1 Introducción Termodinámica juega un papel clave en el análisis de sistemas y dispositivos en los que la transferencia de

energía y transformación de energía tienen lugar. Implicaciones Termodinámica "son de largo alcance, y sus

aplicaciones abarcan toda la gama de la empresa humana. A lo largo de nuestra historia tecnológica, el

desarrollo de las ciencias ha mejorado nuestra capacidad para aprovechar la energía y utilizarla para las

necesidades de la sociedad. La revolución industrial es un resultado del descubrimiento de cómo explotar la

energía y cómo convertir calor en trabajo. Naturaleza permite la conversión de trabajo completamente en

calor, pero el calor se grava cuando se convierte en trabajo. Por esta razón, el retorno de nuestra inversión de

transferencia de calor se compara con la transferencia de trabajo de salida y se procura aprovechar al máximo

este retorno.

 La mayor parte de nuestras actividades cotidianas implican la transferencia de energía y el cambio de energía.

El cuerpo humano es un ejemplo conocido de un sistema biológico en el que la energía química del alimento o

grasa corporal se transforma en otras formas de energía, tales como la transferencia de calor y la transferencia de

trabajo. Nuestro encuentro con el medio ambiente también revela una amplia área de aplicaciones de ingeniería.

Estos incluyen plantas de energía para generar electricidad, motores para funcionar automóviles y aviones,

refrigeración y sistemas de aire acondicionado, y así sucesivamente.

 En el sistema de energía hidroeléctrica, la energía potencial del agua se convierte en energía mecánica mediante

el uso de una turbina hidráulica. La energía mecánica se convierte entonces en energía eléctrica por un generador

eléctrico acoplado al eje de la turbina. En una planta de generación de energía de vapor, energía química o nuclear

se convierte en energía térmica en una caldera o en un reactor. La energía se imparte al agua, que se vaporiza en

vapor. La energía del vapor se utiliza para accionar una turbina de vapor, y la energía mecánica resultante se utiliza

para operar un generador para producir energía eléctrica. El vapor que sale de la turbina se condensa y el

condensado se bombea de nuevo a la caldera para completar el ciclo. Los reactores reproductores usan uranio-235

como fuente de combustible y puede producir un poco más de combustible en el proceso. Una planta de energía

solar utiliza concentradores solares (espejos parabólicos o planas) para calentar un fluido de trabajo en un receptor

situado sobre una torre. El fluido calentado se expande en un turbogenerador de una manera similar como en una

planta de energía convencional. En un motor de combustión interna de encendido por chispa, la energía química

del combustible se transforma en trabajo mecánico. Una mezcla de combustible y aire se comprime y la

combustión es iniciada por un dispositivo de chispa. La expansión de los gases de combustión empuja contra el

pistón, lo que resulta en la rotación del cigüeñal. Motores de turbina de gas, comúnmente utilizados para la

propulsión de aeronaves, convierten la energía química del combustible en energía térmica que se utiliza para

hacer funcionar una turbina de gas. La turbina está acoplada directamente a un compresor que suministra el aire

necesario para la combustión. Los gases de escape, sobre la expansión en una boquilla, crean el empuje necesario.

Para la generación de energía, la turbina está acoplada a un generador eléctrico y las unidades tanto el compresor y

el generador. En un cohete de combustible líquido, un combustible y un oxidante se combinan, y los gases de

combustión se expanden en una boquilla de la creación de una fuerza de propulsión (empuje) para propulsar el

cohete. Un motor de propulsión del cohete nuclear típica ofrece un impulso específico mayor en comparación con

los cohetes químicos. La célula de combustible convierte la energía química en energía eléctrica directamente

haciendo uso de una membrana de intercambio de iones. Cuando se ioniza un combustible tal como hidrógeno, que

fluye desde el ánodo a través de la membrana hacia el cátodo. Los electrones liberados en el ánodo fluyen a través

de una carga externa. En un generador magnetohidrodinámica, se produce la electricidad

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 moviendo un plasma de alta temperatura a través de un campo magnético. El sistema de refrigeración utiliza

trabajo suministrado por el motor eléctrico para transferir calor desde un espacio refrigerado. Fluidos de baja

temperatura de ebullición tales como el amoníaco y el refrigerante-134a absorben la energía en la forma de

transferencia de calor, ya que se vaporizan en el evaporador causando un efecto de enfriamiento en la región

que está siendo enfriado.

 Estos son sólo un número escaso de aplicaciones de ingeniería, y el estudio de la termodinámica es

relevante para el análisis de una gama mucho más amplia de los procesos y las aplicaciones no sólo en la

ingeniería, sino también en otros campos de la ciencia. Por lo tanto, se requiere un estudio cuidadoso de este

tema para mejorar el diseño y el rendimiento de los sistemas de transferencia de energía.

 2.2 Concepto de Energía El concepto de energía se introdujo por primera vez en la mecánica de Newton, cuando la hipótesis acerca de

las energías cinética y potencial. Sin embargo, la aparición de la energía como concepto unificador en la física

no se aprobó hasta mediados del siglo 19 y fue considerado uno de los mayores logros científicos en ese

siglo.El concepto de energía es tan familiar para nosotros hoy que es intuitivamente obvio, sin embargo,

tenemos dificultad para definir exactamente. La energía es una magnitud escalar que no se puede observar

directamente, sino que se puede grabar y evaluada por mediciones indirectas. El valor absoluto de la energía

de sistema es difícil de medir, mientras que su cambio de energía es bastante fácil de calcular. En nuestra vida

los ejemplos de la energía son infinitas. El sol es la principal fuente de energía de la tierra. Se emite un

espectro de energía que viaja a través del espacio en forma de radiación electromagnética. La energía también

se asocia con la estructura de la materia y puede ser liberado por las reacciones químicas y atómicas. A lo

largo de la historia, el surgimiento de las civilizaciones se ha caracterizado por la aplicación de

descubrimiento y eficaz de la energía a las necesidades de la sociedad.

 2.3 Formas de Energía Energía se manifiesta de muchas formas, que son internos o transitoria, y la energía se puede convertir de una

forma a otra. En el análisis termodinámico, las formas de energía se pueden clasificar en dos grupos:

                                      Las formas macroscópicas de energía son aquellos en los que un sistema posee en su conjunto

con respecto a algún marco de referencia externa, como las energías cinética y potencial.Por ejemplo, la energía

macroscópica de un objeto upmoving cambia con la velocidad y la elevación. La energía macroscópica de un

sistema está relacionada con el movimiento y la influencia de algunos efectos externos tales como la gravedad, el

magnetismo, electricidad y tensión superficial. La energía que posee un sistema como resultado de su movimiento

con relación a algún marco de referencia se denomina energía cinética.La energía que un sistema tiene como

resultado de su elevación en un campo gravitacional se llama energía potencial.La energía cinética se refiere a la

energía poseída por el sistema debido a su movimiento en general, ya sea de traslación o de rotación. La palabra

"global" está en cursiva porque la energía cinética al que nos referimos es la energía cinética de todo el sistema,

no la energía cinética de las moléculas en el sistema. Si el sistema es un gas, la energía cinética es la energía

debido al flujo macroscópico del gas, y no el movimiento de las moléculas individuales. La energía potencial de un

sistema es la suma de la gravedad, centrífuga, eléctrica, magnética y energías potenciales. Para ilustrar el uso de

energía potencial gravitatoria, una masa de un kilogramo, 100 m por encima del suelo, tiene claramente una

mayor energía potencial que la misma masa kilogramo en el suelo. Esa energía potencial se puede convertir en

otras formas de energía, como la energía cinética, si se permite que la masa caiga libremente. La energía

cinética y potencial depende del entorno en el que existe el sistema. En particular, la energía potencial de un

sistema depende de la elección de un nivel cero. Por ejemplo, si se considera el nivel del suelo para estar en

cero de energía potencial, entonces la energía potencial de la masa a 100 m por encima del suelo tendrá una

energía potencial positivo igual a la masa (1 kg) multiplicado por la constante gravitacional (g = 9.807 m / s 2

a nivel del mar) y la altura por encima del suelo (100 m).Su energía potencial será 980.7 (kgm 2) / s 2 = 980,7

Newton-metros (Nm), es decir, 980.7 J. El plano de referencia para la energía potencial puede ser elegido

arbitrariamente.Si se hubiera elegido a 100 m sobre el nivel del suelo, la energía potencial de la masa hubiera

sido cero. Por supuesto, la diferencia de energía potencial entre la masa a 100 m y la masa a nivel del suelo es

la misma independientemente del plano de referencia.

                                      Las formas microscópicas de energía son los relacionados a la estructura molecular de un

sistema y el grado de la actividad molecular, y que son independientes de los marcos de referencia externos. La

suma de todas las formas microscópicas de energía se llama la energía interna de un sistema. La energía interna de

un sistema depende de las cualidades inherentes, o propiedades, de los materiales en el sistema, como la

composición y la forma física, así como las variables ambientales (temperatura, presión, campo eléctrico, campo

magnético, etc). Energía interna puede tener muchas formas, entre ellas, (es decir, térmico), química, nuclear,,, y la

energía sensible y latente eléctrico, mecánico magnético superficial. Por ejemplo, un resorte que se comprime tiene

una energía interna más alto (energía mecánica) de un resorte que no está comprimido, debido a que el resorte

comprimido puede hacer algún trabajo en el cambio (en expansión) al estado sin comprimir. Como otro ejemplo,

consideremos dos recipientes idénticos, cada uno que contiene hidrógeno y oxígeno. En el primero, los gases están

contenidos en la forma elemental, el hidrógeno puro y oxígeno puro en una proporción de 2: 1. En el segundo, se

contiene el número de átomos idénticos, pero en la forma de agua. Se puede apreciar que la energía interna de la

primera es diferente de la segunda. Una chispa partió en el primer contenedor tendrá como resultado una liberación

violenta de energía. La misma no será cierto en el segundo. Claramente, la energía presente interna se diferencia

en estas dos situaciones. Cualquier balance de energía tendrá que tomar en cuenta esta diferencia.

 

La ciencia de la termodinámica se basa en el concepto de estados de equilibrio y el postulado de que el cambio

en el valor de las cantidades termodinámicas, tales como energía interna, entre dos estados de equilibrio de un

sistema no depende de la trayectoria del sistema termodinámico llevó a conseguir entre los dos estados. El cambio

se define por los estados de equilibrio final y comienzo de ese sistema. Esto significa que el cambio de energía

interna de un sistema se determina por un conocimiento de todos los parámetros que especifican el sistema en su

estado final y en su estado inicial. Los parámetros son la presión, la temperatura, el campo magnético, superficie,

masa, y así sucesivamente. Si un sistema pasa de un estado etiquetados 1 a un estado marcado 2, el cambio de

energía interna (Δ U) será (U 2 -U 1), la energía interna en el estado final menos la energía interna en el estado

inicial. La diferencia no depende de cómo el sistema procedió del estado 1 al estado 2. La energía interna de este

modo se conoce como una función de estado o punto, ya que es una función del estado del sistema, y no la

historia del proceso. 

Sobre la cuestión de la energía térmica, es intuitivo que la energía interna de un sistema aumenta a medida

que aumenta su temperatura: Sabemos que tenemos que sumar la energía a una barra de hierro para elevar su

temperatura. La forma de la energía interna de un material que está relacionada con su temperatura se

denomina energía térmica sensible, y la forma de energía relacionado con el cambio de fase se llama energía

térmica latente. La energía térmica sensible y latente (por lo general referido como calor en la vida diaria)

puede ser transferida hacia o desde un sistema debido a una diferencia de temperatura. Por lo tanto, la

transferencia de calor es energía térmica en transición.

 2.4 La primera ley de la termodinámica (FLT) La FLT significa la primera ley de la conservación de la energía. Esto se afirma como la energía ni se crea ni

se destruye; sólo cambia de forma. La FLT define la energía interna como una función de estado y

proporciona una declaración formal de la conservación de la energía. Sin embargo, no proporciona

información acerca de la dirección en la que pueden ocurrir espontáneamente procesos, es decir, los aspectos

reversibilidad de los procesos termodinámicos. Por ejemplo, no puede decir cómo las células pueden realizar

su trabajo mientras existente en un ambiente isotérmico. Se da ninguna información acerca de la incapacidad

de cualquier proceso termodinámico para convertir calor en trabajo mecánico con plena eficacia, o cualquier

idea de por qué las mezclas no se pueden separar de forma espontánea o un mix sí mismos. Un principio

derivado experimentalmente para caracterizar se requiere la disponibilidad de energía para hacer esto. Este

es precisamente el papel de la segunda ley de la termodinámica que explicaremos más adelante.

 2.5 FLT vs Energía La energía total E representa la suma de todas las formas de energía que un sistema posee, y el cambio en el contenido de energía de un sistema durante un proceso se expresa como Δ Sistema E. En ausencia de eléctrica, magnética, superficie, etc efectos, la energía total en ese caso se puede expresar como la suma de la interna, cinética, y las energías potenciales 

U + KE + PE y Δ Sistema de E Δ U Δ KE Δ PE ( 1 ) 

La energía puede ser transferida hacia o desde un sistema en tres formas: calor Q, el trabajo W, y el flujo

de masa m. Interacciones de energía se registran en la frontera del sistema, ya que la cruzan, y representan

la energía ganada o perdida por un sistema durante un proceso. Entonces el equilibrio FLT o energía para

cualquier sistema de someterse a cualquier tipo de proceso se puede expresar como

- E a cabo Δ Sistema de E (2).

!# "# $ ! "# # $

Transferencia neta de energía Cambio en la interna, cinética,

por el calor, el trabajo, y la masa potenciales, etc energías

 Es decir, el cambio neto (incremento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la entrada de energía total y la energía total que sale del sistema durante el proceso. Esta relación también puede expresarse por unidad de masa, diferencial, y las formas como las tasas

Entropía 2001, 122

cabo Δ correo

(3

δE

a cabo

sistema dE

e cabo

  

de

( 4 )

- E% el sistema Enphase

(5)

Tasa de transferencia neta Tasa de variación del interno,

por el calor, el trabajo y masas,potenciales, etc energías

 Las dos únicas formas de interacciones de energía asociados con una masa fija o sistema cerrado son el calor 

transferir y trabajar.

Cerrado

sistema de someterse a un los estados inicial y

idéntica y

el sistema Enphase

E

A continuación, el balance de energía para un ciclo se simplifica a E .[2

Tomando nota de que un sistema cerrado no implica ningún flujo de masa a través de sus fronteras, el balance energético 

para unaciclo puede ser expresado en términos de calor y trabajo interacciones como

neto, fuera net, en

o

% %

W neto, fuera En .Es decir, el trabajo neto de salida durante un ciclo es igual a

la entrada neta de calorpara un ciclo. 

Para un volumen de control que implica una corriente de fluido a la presión P, los actos de fluido aguas

arriba como un pistón, haciendo Pv trabajo de frontera por unidad de masa de líquido para mantener el flujo.

Por conveniencia, el flujo de trabajo y la energía interna se combinan en entalpía, h = u + Pv, que representa

las formas microscópicas de energía para un fluido que fluye (a diferencia de fluido no fluig en un

recipiente).A continuación, la transferencia de energía en masa que fluye dentro o fuera de un sistema por

unidad de masa de la corriente de fluido se puede expresar como

 

h tot = h + pe ke + Balance de energía para una turbina de vapor adiabática con energías cinética y potencial insignificante, por

ejemplo, puede expresarse como m% h 1 W% fuera m% h 2 donde 1 es el estado de entrada de vapor, 2

es el estado de salida, m% es la tasa de flujo de masa, y W% fuera es la potencia de salida. 3 Entropía 3.1 Introducción Dentro de los últimos 50 años, nuestra visión de la naturaleza ha cambiado drásticamente. La ciencia clásica

enfatizó el equilibrio y la estabilidad. Ahora vemos las fluctuaciones, la inestabilidad, los procesos evolutivos

en todos los niveles de la química y la biología a la cosmología. Por todas partes observamos los procesos

irreversibles en el que se rompe la simetría del tiempo. La distinción entre los procesos reversibles e

irreversibles se introdujo por primera vez en la termodinámica a través del concepto de "entropía".

 En el contexto moderno, la formulación de la entropía es fundamental para la comprensión de los aspectos

termodinámicos de la autoorganización, la evolución del orden y la vida que vemos en la Naturaleza. Cuando un

sistema está aislado, aumento de energía será cero. En este caso, la entropía del sistema seguirá aumentando debido

a los procesos irreversibles y alcanzar el valor máximo posible, que es el estado de equilibrio termodinámico. En el

estado de equilibrio, todos los procesos irreversibles cesan. Cuando un sistema comienza a intercambiar entropía

con el exterior a continuación, en general, es conducido fuera del equilibrio, y la producción de los procesos

irreversibles entropía comienza a operar. El cambio de la entropía se debe a intercambio de calor y materia. La

entropía que fluye fuera de un sistema adiabático es siempre mayor que la entropía que fluye en el sistema, la

diferencia que surgen debido a la entropía producida por procesos irreversibles en el sistema. Como veremos

en los siguientes capítulos, sistemas que intercambian entropía con su exterior no se limitan a aumentar la

entropía del exterior, pero pueden sufrir transformaciones espontáneas dramáticos a "auto-organización." Los

procesos irreversibles que producen entropía crean estos estados organizados. Tales estados auto-organizados

van desde patrones de convección en los líquidos a la vida. Procesos irreversibles son las fuerzas impulsoras

que crean este orden.

 Gran parte de la energía interna de una sustancia se distribuye al azar en forma de energía cinética en los

niveles moleculares moleculares y sub y como la energía asociada con las fuerzas de atracción o repulsión

entre entidades moleculares moleculares y secundarias, que se están moviendo más cerca o más lejos en

relación a su media separación. Esta energía se describe a veces como 'desordenada', ya que no es accesible

como trabajo en el nivel macroscópico de la misma manera como es la energía cinética o energía potencial

gravitatoria que posee un sistema completo debido a su velocidad o posición en el campo gravitatorio. Aunque

la energía es la capacidad para hacer el trabajo, no es posible acceder directamente a las cantidades de energía

desordenada minutos poseída en un instante dado por los distintos modos de posesión de la energía de las

entidades con el fin de producir trabajo mecánico del eje en la escala macroscópica. El término "trastorno" se

refiere a la falta de información acerca de exactamente cuánta energía está asociada en cualquier momento

con cada modalidad de posesión de la energía de cada entidad molecular molecular o sub dentro del sistema.

 A nivel molecular molecular y sub también hay "energía ordenada" asociado con las fuerzas de atracción o

repulsión entre las entidades que han fijado posiciones relativas medias. Parte de esta energía es, en principio,

más accesible el trabajo a nivel macroscópico en condiciones muy especiales, que están más allá del alcance

de este manuscrito. La temperatura es la propiedad que determina si un sistema que está en equilibrio

experimentará cualquier disminución o aumento de su energía desordenada si se pone en contacto con otro

sistema que está en equilibrio. Si los sistemas no tienen la misma temperatura, la energía desordenada será

redistribuida desde el sistema a la temperatura superior a la de la temperatura más baja. Hay entonces menos

información acerca de donde reside precisamente esa energía, ya que ahora se dispersa sobre los dos sistemas.

 La transferencia de calor a un sistema aumenta la energía desordenada del sistema. La transferencia de

calor desde un sistema reduce la energía desordenada. Transferencia de calor reversible se caracteriza tanto

por la cantidad de energía transferida hacia o desde el sistema y el nivel de temperatura a la que esto ocurre.

La entropía propiedad, cuyo cambio entre los estados se define como la integral de la relación de la

transferencia de calor reversible a la temperatura absoluta, es una medida del estado de trastorno del sistema.

Este "estado de desorden 'se caracteriza por la cantidad de energía desordenada y su nivel de temperatura.

Cuando se produce la transferencia de calor reversible de un sistema a otro, ambos sistemas tienen la misma

temperatura y el aumento en el desorden de uno se corresponde exactamente por la disminución en el

trastorno de la otra. Cuando el trabajo adiabática reversible se realiza en o por un sistema que aumenta su

energía ordenados o disminuye por la cantidad exacta de la obra y los cambios en el nivel de temperatura en

una manera que depende de las sustancias implicadas. Trabajo reversible se caracteriza por la cantidad de

energía transferida hacia o desde el sistema, independientemente de la temperatura del sistema. Irreversible

trabajo, como el trabajo de agitación o trabajo de fricción, implica un cambio en el trastorno del sistema y, al

igual que la transferencia de calor a un sistema, tiene el efecto de aumentar la entropía.

 3.2 Aspectos Entropy Ahora es importante para introducir una nueva propiedad termodinámica, la entropía, que es simplemente una

medida de la cantidad de desorden molecular dentro de un sistema. En este sentido, un sistema que posee un

alto grado de desorden molecular (tal como un gas a alta temperatura) tiene un muy alto valor de entropía y

viceversa. Es importante señalar que los valores numéricos de entropía específica son comúnmente enumeran

en las tablas termodinámicas junto con los valores para el volumen específico, la energía interna específica, y

la entalpía específica. Por lo tanto, la entropía se conoce como el núcleo de los segundos termodinámica de la

ley. Aquí, hay que destacar los siguientes hechos:

                         La entropía de un sistema es una medida de la cantidad de desorden molecular dentro del sistema.                        Un sistema sólo puede generar, no destruir, la entropía.                        La entropía de un sistema puede ser incrementada o disminuida por los medios de transporte de energía en todo el sistema límite. 

El calor y el trabajo son mecanismos de transferencia de energía. Son medidas de la variación de la energía

interna en un cuerpo como energía se transfiere a o desde ella a otra. El trabajo se lleva a cabo por una fuerza

que actúa a través de una distancia. Calor requiere una diferencia de temperatura para su transferencia. La

definición de la energía térmica puede ser ampliado para incluir la energía almacenada en un gas caliente

como la energía cinética media de las moléculas que se mueven al azar. Esta descripción nos permitió

entender el flujo natural de la energía de calor de un caliente a una sustancia más fresco. El concepto de

movimiento al azar se tradujo en una noción de orden y desorden. El vínculo clave de orden / desorden con

probabilidad siguió. Transferencias de energía o conversiones son cambios del estado de un sistema. La

dirección natural de un cambio en el estado de un sistema es de un estado de baja probabilidad a una de mayor

probabilidad. Eso es lo que significa la probabilidad. Y los estados desordenados son más probables que los

ordenados. Por lo tanto la dirección natural del cambio de estado de un sistema es del orden al desorden. Este

es el "algo" que está cambiando en todas las transferencias de energía y conversiones que hemos descrito. Por

último, le dimos un nombre a algo que-entropía. La entropía de un estado de un sistema es proporcional a

(depende de) su probabilidad. Así, el SLT se puede expresar en términos más generales en términos de

entropía de la siguiente manera:

 En cualquier transferencia o conversión de la energía dentro de un sistema cerrado, la entropía del sistema

aumenta. Las consecuencias de la segunda ley de este modo se puede afirmar positivamente que la dirección

espontánea o natural de la transferencia de energía o conversión es hacia el aumento de la entropía, o

negativamente como todas las transferencias de energía o conversiones son irreversibles. O, de acuerdo con

nuestra paráfrasis de la FLT como "No se puede conseguir algo por nada", afirma el SLT: Ni siquiera se

puede conseguir todo lo que se paga.

 Es las fuentes de energía de baja entropía que se están utilizando, y la energía de baja entropía es energía

"útil". Las fuentes de energía en el universo se calificaron en una escala entropía / utilidad de la entropía cero,

formas mecánicas de gran utilidad como la energía potencial gravitatoria, que se convierten fácilmente al

trabajo, a la alta entropía, el calor no utilizable de nuestro entorno.

En resumen, esta interpretación más amplia de la SLT sugiere que "la conservación de la energía" real debe

incluir la práctica de la economía termodinámica. Cada transferencia o conversión de energía, todo lo demás

es igual, se prepararán de forma que la variación total de entropía (generación de entropía) es un mínimo. Esto

requiere que las fuentes de energía serán emparejados en la entropía para el uso final de la energía.

 3.3 Importancia de la Entropía El "entropía" del estado de un sistema es una medida de la probabilidad de su ocurrencia. Estados de baja

probabilidad tienen baja entropía; estados de alta probabilidad tienen alta entropía. Con esta definición vemos,

de la discusión anterior y los ejemplos, que, en cualquier transferencia o conversión de la energía, porque la

dirección espontánea del cambio de estado de un sistema cerrado es de un menor a un estado más probable, la

entropía del sistema debe aumentar. Esa es la declaración más amplia que hemos estado buscando para la

segunda ley, "En cualquier transferencia o conversión de energía dentro de un sistema cerrado aislado, la

entropía de ese sistema aumenta."

 Conversiones de energía puede proceder de manera que la entropía de una parte de un sistema se reduce.

La carga de una batería de almacenamiento, congelación cubitos de hielo, e incluso los procesos de la vida y

el crecimiento son ejemplos. En cada uno de estos ejemplos, el orden se ha ganado de desorden y entropía ha

disminuido. Si el total del sistema se considera, sin embargo, el efecto total ha habido un aumento en el

trastorno. Para cargar una batería debemos proveer energía por encima y más allá de las necesarias para re-

formar las combinaciones químicas en las placas de la batería. Parte de esta energía eléctrica de baja entropía

se transforma en energía de calor de alta entropía en los cables portadores de corriente. En la congelación

hielo aumentamos el orden y por lo tanto disminuir la entropía del agua en las bandejas de cubitos de hielo

mediante la eliminación de calor de ella. La energía de calor eliminado, sin embargo, tiene que fluir en una

sustancia que está a una temperatura inferior a los alrededores. Por lo tanto, la entropía y el desorden de este

gas se incrementan. Además, ponemos la energía eléctrica de baja entropía en el refrigerador a través del

motor, y esta energía se degrada al calor. El cambio global en la entropía es positivo. En el proceso de la vida,

las estructuras altamente ordenadas se construyen a partir de las estructuras mucho más simples de diversos

productos químicos, pero para lograr esto, la vida toma en relativamente baja entropía energía-luz del sol y la

energía química-y emite energía de alta entropía calor. La entropía del sistema total aumenta de nuevo. La

Figura 2 ilustra un proceso de transferencia de calor desde el punto de vista de la entropía.

  

CUERPO CALIENTE

La transferencia de calor

CUERPO EN FRÍO

La entropía disminuyeLa entropía aumenta

     Figura 2. Ilustración de aumento de la entropía y la disminución de los cuerpos fríos y calientes.

Entropía 2001, 3 pág 7

 Se señala en la figura. 2 que, durante un proceso de transferencia de calor, la entropía neta aumenta. Como

cuestión de hecho, el aumento en la entropía del cuerpo frío más que compensa la disminución de la entropía

del cuerpo caliente. El SLT requiere que el aumento de entropía del cuerpo frío sea mayor que la disminución

de la entropía del cuerpo caliente. La conclusión es que los procesos pueden ocurrir sólo en la dirección de

aumento de la entropía global o desorden molecular. Es decir, todo el universo es cada vez más y más caótica

cada día.

 Otra forma de expresar la consecuencia de la SLT es decir que todas las transferencias de energía o

conversiones son irreversibles. Ellos irán espontáneamente en la dirección de incremento de la entropía. No

van a ir espontáneamente hacia un estado de baja entropía. Por ejemplo, en una planta de energía algunas de

las pérdidas, como hemos dicho antes, se puede minimizar, pero ninguno de ellos puede ser eliminado. La

entropía debe aumentar. El mecanismo usual es que algo de energía de baja entropía que se convierte, a través

de la fricción o resistencia eléctrica, por ejemplo, o por medio de fuga de alta temperatura, la energía de calor

de baja entropía y su degradación a la energía de calor de alta entropía a la temperatura ambiental menor .

 3.4 Contribución de Carnot La comprensión final y el estado de la SLT fue el resultado de un a veces brillante, pero más a menudo

tedioso conjunto de investigaciones teóricas y experimentales más de un centenar de años. Una de las

aportaciones más brillantes se hizo desde el principio por un joven ingeniero francés Sadi Carnot, en el siglo

XIX. Carnot, el estudio de las primeras máquinas de vapor, fue capaz de abstraerse de los pistones de bombeo

y ruecas la propiedad básica de que la conversión de la energía térmica en trabajo mecánico requiere una

diferencia de temperatura. El propósito de un motor térmico, tal como lo describió, es tomar calor de una

fuente de alta temperatura, convertir algo de esto a trabajo mecánico, y luego rechazar el resto de la energía a

una fuente de calor de temperatura más baja (o "calor depósito "como lo llamamos). Carnot describe motores

térmicos en una cruda analogía a las ruedas hidráulicas. La energía disponible para la conversión en una rueda

hidráulica es la energía gravitacional contenida en el agua a medida que fluye a partir de una cierta altura

(detrás de una presa o de un lago de montaña) hacia abajo a través de la rueda. La cantidad de energía

disponible depende de la diferencia de altura-la "cabeza" como se le llama-entre la fuente y la piscina por

debajo de la rueda. La energía disponible a un motor de calor depende de la "cabeza de la temperatura." Así

como una presa puede proporcionar más energía que uno bajo, una gran diferencia de temperatura puede

proporcionar más energía para ser convertido por un motor de calor que puede una pequeña diferencia de

temperatura. En el ejemplo de un motor de calor, el depósito de alta temperatura sería el vapor caliente

procedente del horno de la planta de energía. El depósito de baja temperatura a la que el motor (en nuestro

ejemplo, la turbina de vapor) rechaza la energía no convertida es el condensador enfriado por agua circulante.

La diferencia importante de temperatura es por lo tanto la diferencia de temperatura entre el vapor que es

generalmente a aproximadamente 625 ° C y el agua en el condensador-que es típicamente a la temperatura

ambiente de aproximadamente 25 ° C. La "cabeza de temperatura" en este ejemplo sería, pues, 600 ° C.

Brillante explicación de Carnot de esta propiedad básica de los motores térmicos de este modo llevó

inmediatamente hacia la segunda ley. Una vez que la energía es en forma de energía térmica, que nunca

podemos esperar para convertir todo de nuevo en energía mecánica. Parte de la energía de calor siempre

permanecerá en el escape.

Entropía 2001, 3 127

 3.5 La Segunda Ley de la Termodinámica (SLT) Aunque un proceso espontáneo sólo puede continuar en una dirección definida, el FLT no da ninguna

información acerca de la dirección; simplemente indica que cuando una forma de energía se convierte en otro,

cantidades idénticas de energía están involucrados independientemente de la viabilidad del proceso. En este

sentido, los eventos podrían prever que no violaría la FLT, por ejemplo, la transferencia de una cierta cantidad

de calor de un cuerpo de baja temperatura a un cuerpo de alta temperatura, sin el gasto de trabajo. Sin

embargo, la realidad muestra que esto es imposible y FLT se convierte en inadecuado en picturizing la

transferencia de energía completa. Además, los experimentos indican que cuando la energía en forma de calor

se transfiere a un sistema, sólo una parte del calor se puede convertir en trabajo.

 El SLT establece la diferencia de calidad entre las diferentes formas de energía y explica por qué pueden

ocurrir espontáneamente algunos procesos, mientras que otros no pueden. Se indicó una tendencia de cambio

y por lo general se expresa como una desigualdad. El SLT ha sido confirmado por evidencias experimentales

como otras leyes físicas de la naturaleza.

 El SLT define la entropía cantidad física fundamental como un estado de energía aleatorio disponible para

la conversión directa de trabajar. También se establece que todos los procesos espontáneos, tanto físicas como

químicas, proceden a maximizar la entropía, es decir, para ser más aleatorio y para convertir la energía en una

forma menos disponible. Una consecuencia directa de importancia fundamental es la implicación de que en el

equilibrio termodinámico la entropía de un sistema está en un máximo relativo; es decir, que no seguirá

aumentando en el trastorno es posible sin cambiar por algún medio externo (por ejemplo, la adición de calor)

el estado termodinámico del sistema. Un corolario básico de la SLT es la afirmación de que la suma de los

cambios de entropía de un sistema y de su entorno que debe ser siempre positivo, es decir, el universo (la

suma de todos los sistemas y alrededores) está limitada a ser siempre más desordenado y proceder hacia el

equilibrio termodinámico con un valor máximo absoluto de la entropía. Desde un punto de vista biológico esto

es ciertamente un concepto razonable, ya que a menos que los gradientes en la concentración y la temperatura

se mantienen por la fuerza por el consumo de energía, los organismos proceden espontáneamente hacia el

equivalente biológico de equilibrio de la muerte.

 

El SLT es bastante general. Sin embargo, cuando las fuerzas intermoleculares son de largo alcance, como

en el caso de las partículas que interactúan a través de la gravitación, hay dificultades porque nuestra

clasificación en variables extensivas (proporcional al volumen) y variables intensivas (independientes de

volumen) no se aplica. La energía total ya no es proporcional al volumen. Afortunadamente fuerzas

gravitacionales son muy débiles en comparación con las fuerzas intermoleculares de corto alcance. Es sólo en

la escala de astrofísicas que este problema se vuelve importante. La generalidad de la SLT nos da un poderoso

medio para comprender los aspectos termodinámicos de sistemas reales a través del uso de sistemas ideales.

Un ejemplo clásico es el análisis de Planck de la radiación en equilibrio termodinámico con la materia

(radiación de cuerpo negro) en la que Planck consideró osciladores armónicos simples idealizadas que

interactúan con la radiación. Planck consideró osciladores armónicos simples, no sólo porque son buenas

aproximaciones de moléculas, sino porque las propiedades de la radiación en equilibrio térmico con la materia

son universales, independientemente de la naturaleza particular de la materia con la que interactúa la

radiación. Las conclusiones se llega a

Entropía 2001, 3 128

 utilizando osciladores idealizadas y las leyes de la termodinámica también debe ser válido para todas las

demás formas de la materia, sin embargo complejas.

 Lo que hace que esta nueva declaración de la SLT valiosa como guía para la política energética es la

relación entre la entropía y la utilidad de la energía. La energía es más útil para nosotros cuando podemos

conseguir que fluya de una sustancia a otra, por ejemplo, para calentar una casa y podemos usarlo para hacer

el trabajo. Por tanto, de energía útil debe tener una baja entropía para que el SLT permitirá la transferencia o

conversiones a ocurrir espontáneamente.

 3.6 Declaraciones SLT Aunque hay varias formulaciones de la SLT, dos de ellos son más conocidos como el enunciado de Clausius y

el enunciado de Kelvin-Planck.

                         El enunciado de Clausius.Es imposible que un sistema para transferir calor desde un depósito

temperatura más baja a un depósito de temperatura más alta. Simplemente, la transferencia de calor

sólo puede ocurrir de forma espontánea en la dirección de descenso de la temperatura. Por ejemplo, no

podemos construir un refrigerador que funciona sin ningún tipo de entrada de trabajo.                        El enunciado de Kelvin-Planck.Es imposible que un sistema para recibir una cantidad dada de

calor desde un depósito de alta temperatura y proporcionar una cantidad igual de la producción de

trabajo. Mientras que un sistema de conversión de trabajo para una transferencia de energía en forma

de calor equivalente es posible, un dispositivo de conversión de calor a una transferencia de energía

equivalente como el trabajo es imposible. Por ejemplo, no podemos construir una máquina térmica que

tiene una eficiencia térmica del 100%.

 3.7 La desigualdad de Clausius Se trata de un enunciado matemático de la segunda ley como paso previo a la definición de una diferencia en

una propiedad conocida como entropía. Se declaró por primera vez por el físico alemán RJE Clausius

(conocido como uno de los fundadores de la termodinámica) y se expresa como

 

∫ Q / T ≤ 0 (6) donde el símbolo cíclico integral ∫ muestra la integración debe hacerse durante todo el ciclo, y el 

signo de transferencia de calor se determina con respecto al sistema (positivo si al sistema, y negativo si desde el sistema). La integral cíclica de δ Q / T es siempre menor que o igual a cero.Si es igual a cero, es sometido a

un sistema o que contiene sólo los procesos reversibles (o ciclos). Si es menor que cero, es sometido a un

sistema o que contiene sólo los procesos irreversibles (o ciclos). 

La desigualdad dada anteriormente puede ser eliminado por

- ∫ Q / T ( 7 ) 

donde la cantidad S gen es la generación de entropía asociado con un ciclo como una medida de las

irreversibilidades que se producen durante el ciclo.Se puede resumir como sigue:

 

                                     S gen = Δ Total S = Δ Sys S + Δ S surr = 0 para un proceso reversible.                                      S gen = Δ Total S = Δ Sys S + Δ S surr> 0 para un proceso irreversible.

Entropía 2001, 3 129

Es importante señalar que para un proceso reversible:

= (Q / T) rev y Δ S surr = - (Q / T) rev (

y para un proceso irreversible:

sys> (Q / T) irr (9 debido a la entropía generación dentro del sistema como resultado de irreversibilidades internas. Por lo tanto,

aunque el cambio en la entropía del sistema y sus alrededores pueden aumentar de forma individual, disminuir

o permanecer constante, la variación de entropía o total de la generación total de la entropía no puede ser

inferior a cero para cualquier proceso.

 3.8 Relaciones Útiles Es importante enumerar algunas relaciones útiles y ecuaciones Tds para cualquier proceso de una sustancia

pura, suponiendo la ausencia de electricidad, el magnetismo, los efectos de distorsión de sólidos, y la tensión

superficial.Por lo tanto, enumeramos cuatro ecuaciones y destacamos sus implicaciones y restricciones de la

siguiente manera:

                                     δ q = du + δ w: Esta es una declaración de la FLT y es aplicable a cualquier sencilla

compresible sistema cerrado.                                      δ q = du + pdv: Esta es una declaración de la FLT y se restringe a procesos reversibles de

un cerrado sistema sólo.                                       Tds = du + δ w: Se trata de una declaración conjunta de la FLT y SLT (con Tds = δ q).                                        Tds = du + pdv: Se trata de una declaración conjunta de la FLT y SLT y es válido para

todos los procesos entre los estados de equilibrio.

 4 Exergía 4.1 Introducción Una clase muy importante de problemas en la termodinámica de ingeniería se refiere a sistemas o sustancias

que pueden ser modelados como en equilibrio o de equilibrio estable, pero que no están en equilibrio estable

mutua con el entorno. Por ejemplo, dentro de la tierra hay reservas de combustibles que no están en equilibrio

estable mutua con la atmósfera y el mar. No se cumplen los requisitos de equilibrio químico mutuo. Cualquier

sistema a una temperatura por encima o por debajo de la del medio ambiente no está en equilibrio estable

mutua con el medio ambiente. En este caso no se cumplen los requisitos de equilibrio térmico mutuo. Se ha

encontrado que cualquier falta de equilibrio estable mutua entre un sistema y el medio ambiente se puede

utilizar para producir trabajo. El SLT permite el trabajo máximo que se podría producir por determinar.

 La exergía de un sistema se define como el trabajo de eje máximo que se podía hacer por el compuesto del

sistema y un entorno de referencia especificado que se supone que es infinito, en equilibrio, y en última

instancia para encerrar todos los demás sistemas. Típicamente, el medio ambiente se especifica indicando su

temperatura, presión y composición química. Exergía no es simplemente una propiedad termodinámica, sino

más bien es una co-propiedad de un sistema y el entorno de referencia. El término viene de la exergía

Entropía 2001, 3 130

 Palabras griegas ex y ergon, es decir de y trabajo: la exergía de un sistema se puede aumentar si el trabajo se

realiza en ella. Los siguientes son algunos términos que se encuentran en la literatura que son equivalentes o

casi equivalentes a exergía: energía disponible, essergy, energía utilizable, trabajo disponible, la

disponibilidad.

 Exergía tiene la característica de que sólo se conserva cuando todos los procesos del sistema y el medio

ambiente son reversibles. Exergía se destruye cada vez que se produce un proceso irreversible. Cuando un

análisis de exergía se realiza en una planta tal como una estación de energía de todo, una planta de

procesamiento de productos químicos o una planta de refrigeración, las imperfecciones termodinámicas se

pueden cuantificar como la destrucción de exergía, que se desperdicia trabajo o potencial desperdiciado para

la producción de trabajo. Como la energía, la exergía puede ser transferido o transportado a través de la

frontera de un sistema. Para cada tipo de transferencia o el transporte de energía se produce una transferencia

de exergía correspondiente o el transporte. En particular, el análisis de exergía tiene en cuenta los diferentes

valores termodinámicos de trabajo y calor. La transferencia de exergía asociada con el trabajo del eje es igual

al trabajo eje. La transferencia de exergía asociada con la transferencia de calor, sin embargo, depende del

nivel de temperatura a la que se produce en relación con la temperatura del medio ambiente.

 4.2 Aspectos Exergéticos También es importante para ilustrar algunos significados de exergía por los siguientes ejemplos simples:                                       Un sistema en completo equilibrio con su entorno no tiene ninguna exergía.No hay diferencia aparece en temperatura, presión, o concentración, etc para el funcionamiento de cualquier proceso.                                      Cuanto más se desvía de un sistema del medio ambiente, más exergía que lleva.El agua caliente tiene un mayor contenido de exergía durante el invierno que se tiene en un día caluroso de verano. Un bloque de hielo lleva apenas exergía en invierno, mientras que lo hace en verano.                                      Cuando la energía pierde su calidad, resulta en exergía destruida.La exergía es la parte de la

energía que es útil en la sociedad y por lo tanto tiene un valor económico y vale la pena cuidar.                                      Casi toda la energía, convertido en la capa delgada sobre la superficie de la tierra, donde la

vida se puede encontrar, se deriva de la sol.Luz del sol, rico en exergía, llega a la tierra. Mucho de esto se

refleja, pero la energía absorbida en la tierra se convierte y finalmente sale de la tierra en forma de radiación

de calor sin exergía respecto a la Tierra. La exergía neta absorbida por la tierra es consecuencia destruyó

gradualmente pero durante esta destrucción se las arregla para manejar el sistema de agua / viento y la vida en

la tierra. Las plantas verdes absorben exergía de la luz solar y la convierten a través de la fotosíntesis en

exergía química. La exergía química luego pasa a través de diferentes cadenas alimenticias en los ecosistemas.

En cada nivel de exergía tropical se consume y microorganismos viven en el último nivel en esta cadena

alimenticia. No existe desperdicio.

                                     Un depósito de concentrado de mineral 'contrasta' con el medio ambiente y este contraste

aumenta con la concentración del mineral.El mineral es por lo tanto un portador de exergía. Cuando se extrae el

mineral el contenido de exergía del mineral se mantiene constante, y si se enriquece aumenta el contenido de

exergía. Un pobre depósito de mineral contiene menos exergía y en consecuencia se puede utilizar únicamente a

través de una entrada mayor de exergía externa. Hoy esta sustitución de exergía a menudo proviene de las formas

de exergía, como el carbón y el petróleo. Cuando se dispersa un mineral concentrado el contenido de exergía

disminuye (artículo 3).

Entropía 2001, 3 131

                                       Una aparente dificultad en la definición de exergía es que depende en el medio

ambiente.Esta dificultad podría, sin embargo, se resolverá a través de convenios, se podría definir un 'entorno

estándar' con una composición química determinada a una cierta temperatura y presión. Una posible entorno

estándar para el uso global podría, por ejemplo, ser una atmósfera estándar, un mar estándar y una cama-rock

estándar. Un problema principal es, sin embargo, que estos sistemas no están en equilibrio entre sí. A veces

uno debe, además de ello, utilice las normas locales en función de la temporada (artículo 2).                                      Se espera que un ingeniero de diseño de un sistema para aspirar a la mayor eficiencia técnica

posible a un costo mínimo en las condiciones técnicas, económicas y legales vigentes, sino también con respecto a

las consecuencias éticas, ecológicas y sociales.La exergía es un concepto que hace este trabajo mucho más fácil.

Por lo tanto, exergetics ofrece una visión única donde las pérdidas y las posibles mejoras pueden ser

 determinado, y Ciclo de Vida Análisis exergético (LCEA) se propone como un método para responder mejor a

las condiciones ambientales.

 Antes de entrar en detalles sobre los vínculos entre la energía y exergía, exergía y el medio ambiente,

la energía y el desarrollo sostenible, ofrecemos algunos puntos clave para poner de relieve la importancia de la

exergía y su utilización:

                         Es una herramienta fundamental para abordar mejor el impacto de la utilización de recursos de energía en el medio ambiente.                       Es un método eficaz mediante la conservación de la masa y la conservación de los principios de la energía junto con la segunda ley de la termodinámica para el diseño y análisis de sistemas de energía.                       Es una técnica adecuada para alcanzar el objetivo de un uso más eficiente de recursos energéticos, ya que permite a las localizaciones, tipos y verdaderas magnitudes de los desechos y las pérdidas por determinar.                       Es una técnica eficaz que revela o no y en qué medida es posible diseñar sistemas de energía más eficientes mediante la reducción de las ineficiencias en los sistemas existentes.

                       Es un componente clave en la obtención de un desarrollo sostenible.

 4.3 exergía vs Energía 

El método tradicional de evaluación de la disposición de energía de una operación que implica la

transformación física o química de materiales y productos con el acompañamiento de transferencia y / o

transformación de la energía es por la realización de un balance de energía. Este equilibrio se basa

aparentemente en la FLT. En este equilibrio, la información sobre el sistema se emplea para tratar de reducir

las pérdidas de calor o aumentar la recuperación de calor. Sin embargo, a partir de un equilibrio tal está

disponible en la degradación de la energía ninguna información, que se producen en el proceso y para

cuantificar la utilidad o la calidad del contenido de calor en diversas corrientes que abandonan el proceso

como productos, desechos, o refrigerantes.

 El método de análisis de exergía supera las limitaciones de la FLT. El concepto de exergía se basa tanto en

FLT y SLT. Análisis de exergía puede indicar claramente las localizaciones de la degradación de la energía en

un proceso que puede conducir a un mejor funcionamiento o la tecnología. También se puede cuantificar la

calidad de calor en una corriente de rechazo. Así, el objetivo principal del análisis exergético es identificar las

causas y para calcular las verdaderas magnitudes de las pérdidas de exergía. La Tabla 1 presenta una

comparación general de energía y exergía.

Entropía 2001, 3 132

Tabla 1. Comparación de la energía y exergía.

ENERGÍA

depende de los parámetros de la materia    depende tanto de los parámetros de la materia

o sólo el flujo de energía, e independiente de o flujo de energía y en el medio ambiente

los parámetros del entorno. parametros adicionales.

tiene los valores diferentes de cero (igual a    es igual a cero (en el estado muerto por el equilibrio

en la ecuación de Einstein). con el medio ambiente).

se rige por la FLT para toda la    se rige por la FLT para procesos reversibles

solamente (en los procesos irreversibles que se destruye

parcial o completamente).

está limitada por la SLT para todos los procesos    no se limita a los procesos reversibles debido a la

(Incl. Los reversibles).

es el movimiento o la capacidad para producir movimiento. es el trabajo o la capacidad para producir trabajo.

siempre se conserva en un proceso, por lo que puede siempre se conserva en un proceso reversible, pero es

ni ser destruido o se han producido. siempre que se consume en un proceso irreversible.

es una medida de sólo la cantidad.    es una medida de la cantidad y calidad debido a

entropía.

 Para empezar, hay que distinguir entre exergía y energía con el fin de evitar cualquier confusión con los

métodos basados en la energía tradicionales de análisis de sistema térmico y el diseño. La energía fluye dentro

y fuera de un sistema a través de flujo de masa, transferencia de calor, y el trabajo (por ejemplo, ejes,

vástagos). La energía se conserva, no se destruye: se trata de la declaración hecha por la FLT. La exergía es un

concepto totalmente diferente. Representa cuantitativamente la energía "útil", o la capacidad de hacer el

contenido-de trabajo-el trabajo de la gran variedad de corrientes (masa, calor, trabajo) que fluyen a través del

sistema. El primer atributo de la propiedad "exergía" es que hace posible la comparación sobre una base

común interacciones (entradas, salidas) que son muy diferentes en un sentido físico. Otro beneficio es que al

tener en cuenta todas las corrientes de exergía del sistema, es posible determinar el grado en que el sistema

destruye exergía. La exergía destruida es proporcional a la entropía generada. En los sistemas reales, exergía

siempre se destruye, parcial o totalmente: esta es la declaración hecha por el SLT. La exergía destruida, o la

entropía generada es responsable de la eficiencia del sistema de menos-que-teórico.

 Ejemplo I: por Diferencia entre la energía y exergía Descripción 

El concepto de exergía es hoy ampliamente utilizado en la ingeniería de la energía de vapor, donde las

formas de energía de diferentes calidades se tratan. Se muestra aquí que para que el vapor caliente, calefacción

urbana y residuos calentar el índice de calidad, es decir, la exergía en relación con el contenido de energía, se

vuelve más y más. Esto debe ser tomado en cuenta por los ingenieros que trabajan con estas diferentes formas

de energía. Veamos cómo funciona una planta de energía. La parte superior de la figura. 3 es el esquema de

una planta de energía básica, en este caso una planta de energía de condensación, donde la combustión de

petróleo o el carbón tiene lugar. También podría ilustrar una planta de energía nuclear, que se utiliza en lugar

de uranio para suministrar calor. El calor producido se usa para hervir el agua a alta presión en una caldera

grande, en principio, una gran olla a presión (unidad de producción de vapor). El vapor se suministra a una

turbina, donde la energía del vapor de agua se convierte en

Entropía 2001, 3 1

 la rotación del eje de la turbina. En el otro extremo del eje, un generador eléctrico se encuentra, la producción

de electricidad. La electricidad se suministra a continuación al consumidor para llevar a cabo diversas tareas.

     

              Figura 3. El flujo de energía y la exergía a través de una planta de energía de condensación [1, 2].  

Cuando el vapor pasa a través de la turbina se transmite a la exergía generador eléctrico. Después de la

turbina, el vapor se enfría en un condensador de agua, y llevado de vuelta a la caldera. Este enfriamiento es

necesario para optimizar la transmisión de potencia en la turbina, ya que la turbina puede trabajar con máxima

diferencia en la presión cuando el vapor se condensa inmediatamente después de pasar a través de él. La

energía química en el petróleo y el carbón, o la energía nuclear en el uranio, se transforma en energía

eléctrica, pero no sin pérdidas. Las pérdidas son grandes en una planta de energía, no menos de

aproximadamente 40%, y en una planta de energía nuclear que son no menos de aproximadamente 70%.

Contando el total del sistema, desde la preparación de la materia prima energía para el tratamiento de acabado

de los productos de desecho, hay pérdidas aún mayores.

 Veamos ahora lo que ocurre con las pérdidas en la propia central. En la parte inferior de la figura. 3 hay

dos diagramas de flujos, los llamados diagramas de Sankey-[1]. En el diagrama superior, la anchura del flujo

es proporcional al contenido de energía de la forma de energía respectiva, en el diagrama inferior, la anchura

es proporcional al contenido de exergía. Lo primero que notamos es que el ancho de las entradas y salidas en

los dos esquemas son casi iguales. Esto es debido al hecho de que tanto las entradas y las salidas son formas

de energía de muy alta calidad. Los índices de calidad para las formas de energía en cuestión se encuentran

entre 90% y 100%. Para la energía eléctrica el contenido de exergía es tan grande como el contenido de

energía. Las pérdidas en los dos diagramas son, sin embargo, bastante diferente. Al principio tenemos

pérdidas en el horno. El combustible se convierte en calor aquí. En una planta de energía de petróleo o carbón

alimentado obtenemos una temperatura de llama de unos dos mil grados (° C). En una planta de energía

nuclear de la temperatura es, en cambio unos pocos cientos de grados (° C). El calor se transmite entonces a

través de intercambiadores de calor para agua hirviendo. La presión es alta, con el resultado de que el agua no

hierve hasta que alcanza una temperatura de unos pocos cientos de grados. A través de las paredes del horno,

y a través de tuberías, el calor se transmite al medio ambiente, donde se pierde. El calor también se descarga

con los gases de escape, para mantener la chimenea de una planta de energía de petróleo y carbón libre de

agua condensada. Estas pérdidas de hornos representan sólo un pequeño porcentaje de la energía total

Entropía 2001, 3 134

 conversión. Vemos, sin embargo, a partir del diagrama de exergía que sucede algo drástico. En este punto, se

pierde más de un tercio de la exergía. También vemos que se pierde en el proceso en sí mismo, es decir, sólo

una parte muy pequeña de la exergía perdida sale de la planta de energía. El flujo de exergía sólo se hace más

estrecho. Se crean grandes cantidades de entropía. Esto es debido al hecho de que el vapor que sale de la

caldera tiene una temperatura más baja y la presión que debe ser físicamente posible. La razón de esto es

limitaciones en la resistencia a la fatiga de los componentes incluidos en el proceso, principalmente en la

caldera y los álabes de la turbina. En una planta de energía nuclear, más de la mitad de la exergía se pierde en

esta etapa del proceso.

 La anchura de los flujos de energía térmica y exergía térmica en forma de vapor caliente en la fig. 3,

muestran la mayor diferencia entre la energía y el flujo de exergía. Este es también un punto de vista

completamente diferente de cómo se producen las pérdidas en el proceso. En un diagrama de flujos de

energía, las pérdidas son más fuertes en el condensador. Una gran parte de la energía se pierde en el

condensador a través de calor residual en el agua de refrigeración. El calor residual es, sin embargo, el calor a

una temperatura muy baja y por lo tanto la energía de una calidad muy baja. Esto se muestra claramente en el

diagrama de exergía. El contenido de exergía del calor residual es sólo un pequeño porcentaje del contenido

de energía. Para hacerlo más claro, podemos imaginar el siguiente proceso. Supongamos que queremos

convertir la energía térmica en el calor residual en energía mecánica mediante un proceso ideal. Desde el calor

residual, que entonces sólo sería capaz de convertir esa parte del contenido de energía que corresponde a

trabajo mecánico, es decir, el contenido de exergía. En tal proceso de conversión de la pérdida sería de calor

residual a la misma temperatura como el medio ambiente, es decir, con el contenido de exergía igual a cero.

Es de ninguna manera posible lograr más energía mecánica o eléctrica de la energía térmica de lo que está

determinado por la exergía térmica. Cuando se cambia de la energía mecánica en energía eléctrica, ambos con

un contenido de exergía de 100%, surgen pequeñas pérdidas por fricción. Estas pérdidas son, en general,

igualmente pequeño en ambos diagramas. Parte de las pérdidas por fricción se compone de fatiga mecánica, es

decir, el uso de ejes y rodamientos [2].

 La conclusión que podemos extraer de los diagramas será, pues, que en los diagramas de flujos de energía,

las mayores pérdidas aparecen en el condensador pero a partir del flujo de exergía, las mayores pérdidas

parecen ocurrir ya en la combustión en la caldera. También vemos en el diagrama de flujos de exergía que

estas pérdidas en la caldera no se pueden extraer. Por lo tanto, la exergía se utiliza en el proceso en sí mismo.

Es inevitable una "pérdida interna", en el proceso y es dependiente de las soluciones técnicas disponibles.

 Ejemplo II: Diferencia entre la energía y exergía Descripción

 Los diagramas de la figura. 4 ilustrar las diferencias entre la energía y los flujos de exergía, y por lo tanto la

eficiencia, para 4 sistemas de conversión: un horno de aceite, calentador eléctrico, una bomba de calor eléctrica y

una planta de energía y la producción combinada de calor. En la parte superior vemos la conversión de

combustible en calor en un horno de aceite ordinario. La eficiencia energética se limita a aproximadamente 85%,

principalmente a través de las pérdidas de la pila. El bajo valor de la eficiencia de exergía, aproximadamente el

4%, es, sin embargo, debido al hecho de que la caída de temperatura cuando una llama mil grado calienta el agua a

60 ° C no se utiliza. Como podemos ver, calefacción eléctrica tiene una eficiencia energética del 100%. En el

diagrama de la bomba de calor eléctrica vemos que esto no es un límite superior de la eficiencia energética en la

conversión de electricidad en calor. Una bomba de calor puede, por supuesto, también puede ejecutar con los

combustibles mediante la conexión a un motor de combustión. La bomba de calor también puede de esta forma

tomar el lugar de un

Entropía 2001, 3 135

 horno ordinaria para la calefacción. Si se tiene en cuenta el medio ambiente, la conversión de la energía

eléctrica o combustibles en calor puede estar muy por encima del 100%. Vemos que en el estudio de exergía

la imagen se vuelve muy diferente. La eficiencia de exergía para el calor eléctrico es aproximadamente 5% y

para la bomba de calor 15% [2].

                       

Figura 4. Energía y exergía eficiencia para un horno de aceite, un calentador eléctrico, una bomba de calor eléctrica y una planta de energía y la producción combinada de calor [2, 3].

 4.4 Naturaleza Interdisciplinario de exergía 

En virtud de los hechos que figuran en la sección 4.2, que anteriormente introdujimos un nuevo concepto y

definimos exergía como una disciplina distinta, debido a su carácter interdisciplinario como la confluencia de

la energía, el medio ambiente y el desarrollo sostenible (Fig. 5).La producción de energía, transformación,

transporte y uso tienen un impacto importante en el medio ambiente de la tierra. Las políticas energéticas y

ambientales cada vez juegan un papel destacado en relación con una amplia gama de problemas ambientales

locales, regionales y globales.

  

 ENERGÍA               MEDIO AMBIENTE

 Exergía

  SOSTENIBLE

 DESARROLLO

 Figura 5. El triángulo interdisciplinario de exergía [4].  Análisis exergético 4.5 

Exergía se define como la cantidad máxima de trabajo que puede ser producido por un sistema o un flujo

de materia o energía, ya que llega a un equilibrio con un entorno de referencia. Exergía es una medida de la

Entropía 2001, 3 136

 potencial del sistema o el flujo para causar el cambio, como consecuencia de no ser completamente estable en

equilibrio con respecto al entorno de referencia. A diferencia de la energía, exergía no está sujeto a una ley de

conservación (excepto para los procesos ideales, o reversibles,). Más bien, la exergía es consumido o

destruido, debido a las irreversibilidades en cualquier proceso real. El consumo de exergía durante un proceso

es proporcional a la entropía creado debido a las irreversibilidades asociadas con el proceso [5-10].

 Para el análisis de exergía, el estado del medio ambiente de referencia, o el estado de referencia, se debe

especificar por completo. Esto se realiza comúnmente mediante la especificación de la composición de la

temperatura, la presión y el entorno químico de referencia. Los resultados de los análisis de exergía, en

consecuencia, están en relación con el entorno de referencia específico, que en la mayoría de las aplicaciones

es el modelo del entorno local actual [5].

 Análisis exergético es un método que utiliza la conservación de la masa y la conservación de los principios

de la energía junto con el SLT para el análisis, el diseño y la mejora de la energía y otros sistemas. El método

exergético es útil para alcanzar el objetivo de un uso más eficiente de recursos energéticos, ya que permite a

las localizaciones, tipos y verdaderas magnitudes de los desechos y las pérdidas que se determinen. En

general, las eficiencias más significativos son evaluados con el análisis de exergía en lugar de análisis de

energía, ya que la eficiencia de exergía son siempre una medida de la aproximación al caso ideal. Por lo tanto,

el análisis de exergía puede revelar si o no y en qué medida es posible diseñar sistemas de energía más

eficientes mediante la reducción de las ineficiencias en los sistemas existentes. Muchos ingenieros y

científicos sugieren que el rendimiento termodinámico de un proceso se evalúa mejor mediante la realización

de un análisis de exergía, además o en lugar del análisis de la energía convencional, ya que el análisis de

exergía parece proporcionar más conocimientos y ser más útil en los esfuerzos de mejora de la eficiencia que

el análisis de la energía .

 Es importante destacar que el análisis de exergía puede conducir a un tipo reducido sustancialmente en el

uso de los recursos naturales y la contaminación del medio ambiente mediante la reducción de la velocidad de

descarga de los productos de desecho.

 4.5 Exergéticos Modelos 

Exergía es una medida de hasta qué punto un determinado sistema se desvía de equilibrio con su medio

ambiente y, por lo tanto, las siguientes expresiones se puede escribir para la exergía contenida en un sistema.

 

0 (S t, eq - S t) (10) 

donde T 0 es la temperatura del medio ambiente y (S t, eq - t S) es la desviación del equilibrio de la

negatoentropía (= menos la entropía) del sistema y de su entorno, es decir, el sistema total. ('Eq' denota

equilibrio con el medio ambiente.)

 

Ex = U + P 0 V - T 0 S - Σ i μ i0 n i (11) 

donde U, V, S, y n i denotan amplios parámetros del sistema (energía, el volumen, la entropía, y el número de

moles de diferentes componentes químicos) y P 0, T 0, y 0 μ i son parámetros intensivos del entorno (presión, temperatura, potencial químico y que también puede incluir potenciales gravitacionales y electromagnéticos, etc).La "o" subíndice denota condiciones del entorno de referencia. Es evidente a partir de esta ecuación que

la exergía de un sistema es cero cuando está en equilibrio con el entorno de referencia (es decir, cuando T = T

O, P = O y p μ k = μ ko para todo k).

Entropía 2001, 3 137

Ex = (U - U eq) + P 0 (V - V eq) - T 0 (S - S eq) - Σ i μ i0 (n i - n IEQ) (12) donde en el lado derecho aparecen cantidades determinadas fácilmente. Por lo tanto, es una tarea fácil para

determinar el contenido de exergía de un sistema dado en un entorno determinado. Para una sustancia que

tiene un contenido de exergía derivar sólo de su concentración la siguiente relación:

 

Ex = RT 0 nln (c / c 0) (13) 

donde n es el número de moles de la sustancia, R es la constante de los gases, T 0 es la temperatura del medio

ambiente, c es la concentración de la sustancia en el material considerado, y c 0 = concentración de la sustancia en el medio ambiente. 

Para materiales como gases inertes o de otros materiales no químicamente activas este concepto de

exergía es aplicable. Los materiales que reaccionan químicamente reciben una contribución adicional de

exergía el cambio en el potencial químico. El contenido de exergía en un material por lo tanto se puede

resumir mediante la siguiente fórmula:

 

Ex = n [μ - μ 0 + 0 RT ln (c / c 0)] (14) 

donde μ es 0 potencial químico para el material en su estado de referencia, es decir, en equilibrio con el medio

ambiente.Los valores potenciales químicos para la mayoría de los materiales se pueden encontrar en forma de

tabla en algunos libros de referencia.

 4.7 Definición de Medio Ambiente 

Se observa que el entorno natural no posee las características teóricas de un entorno de referencia. El entorno

natural no está en equilibrio, y sus propiedades intensivas varían espacial y temporalmente. Muchas reacciones

químicas en el medio ambiente natural se bloquean debido a que los mecanismos de transporte necesarios para

alcanzar el equilibrio son demasiado lentos en condiciones ambientales. Por lo tanto, la exergía del entorno natural

no es cero, como el trabajo podría obtenerse si se tratara de llegar al equilibrio. En el desarrollo de modelos de

referencia con el medio ambiente para el análisis exergético, un compromiso se hace a menudo entre las exigencias

teóricas del entorno de referencia y el comportamiento real del medio ambiente natural.

 

Se han propuesto varios modelos de referencia con el medio ambiente. Las clases más importantes de los

cuales se describen a continuación [4-6]:

                                      Modelos naturales, medio ambiente y subsistemas: Estos modelos tratan de simular de forma

realista los subsistemas de el medio ambiente natural.Este modelo consta de aire húmedo saturado y agua líquida

en equilibrio de fases. Se propuso una extensión de ese modelo para permitir que los materiales que contienen

azufre para ser analizados. La temperatura y la presión de este entorno de referencia (Tabla 2) se toman

normalmente a               sea 25 ° C y 1 atm, respectivamente, y la composición química se lleva a consistir en aire saturado con

vapor de agua, y las siguientes fases condensadas a 25 ° C y 1 atm: agua (H 2 O), yeso (CaSO 4 • 2H 2 O), y la

piedra caliza (CaCO3).Las configuraciones estables de C, O y N, respectivamente, se considera que son las de CO 2,

O 2 y N 2, tal como existen en el aire saturado con agua líquida a T 0 y P 0 (la temperatura y la presión para el entorno de referencia); de hidrógeno se toma como en la fase líquida

Entropía 2001, 3 138 

de agua saturada con aire a T y P 0 0; y de S y Ca, respectivamente, se toman como las de CaSO 4 • 2H 2 O y

CaCO3 en T0 y P0.                                      Modelos de referencia de sustancias: Con este modelo, se selecciona una "sustancia de

referencia" para todos los productos químicos elemento y se le asigna cero exergía.Este es el modelo en el que las

sustancias de referencia se seleccionan como las sustancias más que nada valen encuentran en abundancia en el

medio natural. El criterio para la selección de tales sustancias de referencia es coherente con la idea de simular el

entorno natural, sino que es sobre todo de carácter económico, y es vaga y arbitraria con respecto a la               selección de sustancias de referencia.Parte de este entorno es la composición del aire húmedo,

incluyendo N 2, O 2, CO 2, H 2 O y los gases nobles; yeso (para el azufre) y piedra caliza (de calcio).Este

modelo no es similar al medio ambiente natural. En consecuencia exergies absolutos evaluados con este modelo no se relacionan con el entorno natural, y no se pueden utilizar de forma racional para evaluar la eficacia o el impacto ambiental.  Cuadro 2 Un modelo de referencia y el medio ambiente. T 0 = 25 ° C = 298,15 K

P 0 = 1 atmComposición: (i) El aire atmosférico saturado con H 2 O a T 0 y P 0 (que tiene la siguiente composición): Aire Constituyentes Fracción molar ---------------------------

0.7567

0.2035

0.0303

0.0091

0.0003

0.0001--------------------------- (Ii) Las siguientes fases condensadas en T 0 y P 0: El agua (H 2 O) La piedra caliza (CaCO3) yeso (CaSO 4 • 2H 2 O)

                                      Equilibrio y de equilibrio restringido modelos: Es el modelo en el que todos los materiales presentan en el atmposphere, océanos y una capa de la corteza de la tierra se reunieron juntos y un composición de equilibrio se calcula para una temperatura dada. La selección del espesor de la corteza

considerado es subjetiva y está destinado a incluir todos los materiales accesibles a los procesos técnicos. Se

consideraron espesores que van desde 1 m hasta 1,000 m, y una temperatura de 25 ° C.Para todos los

espesores, el modelo difería significativamente del entorno natural. Valores de exergía obtenidos utilizando

estos entornos son significativamente dependientes del espesor de la corteza considerado, y representan la

cantidad máxima absoluta de trabajo obtenible a partir de un material. Puesto que no hay proceso técnico

disponible que puede obtener este trabajo a partir de materiales, este modelo de equilibrio no da valores de

exergía significativas cuando se aplica al análisis de los procesos reales. Su versión modificada del medio

ambiente de equilibrio se propuso más tarde en el que el cálculo de un

Entropía 2001, 3 139 

composición de equilibrio excluye la posibilidad de la formación de ácido nítrico (HNO 3) y sus

compuestos.Es decir, todas las reacciones químicas en las que se forman estas sustancias están en equilibrio

restringido, y todas las demás reacciones están en equilibrio sin restricciones. Cuando se utiliza un grosor de la corteza de 1 m y la temperatura de 25° C, el modelo es similar al medio ambiente natural.                                      Modelos dependientes Proceso-: Este es el modelo que sólo contiene componentes que

participan en el proceso a ser examinado en una composición de equilibrio estable a la temperatura y presión

del medio ambiente natural.Este modelo es dependiente en el proceso examinado, y no es general. Exergies

evaluados por un modelo de proceso dependiente específica sólo son relevantes para el proceso. No pueden

racionalmente compararse con exergies evaluados para otros modelos dependientes del proceso o se utilizan

en las evaluaciones ambientales.

 La comprensión de las relaciones entre exergía y el medio ambiente puede revelar los patrones y las fuerzas

fundamentales que afectan y subyacen a los cambios en el medio ambiente y ayudar a los investigadores a

tratar mejor con el daño ambiental.

 4.8 Exergéticos Eficiencias Este sentido, introducir otro concepto de eficiencia SLT, en referencia a la Eficiencia exergía y demostrar su

uso en la evaluación de la utilización de la eficiencia o de la energía.Ingenieros hacen uso frecuente de las

eficiencias para medir el rendimiento de los dispositivos y la eficacia de los procesos. Muchas de estas

expresiones se basan en la energía-que son las eficiencias FLT. También son útiles las medidas de

rendimiento que tengan en cuenta las limitaciones impuestas por la segunda ley. Eficiencias de este tipo se

llaman aquí eficiencias SLT.

 Para ilustrar la idea de un parámetro de rendimiento que tiene que ver con la SLT y contrastarlo con una

eficiencia basada en la energía análoga, considere un volumen de control en estado estacionario para el que las

ecuaciones de energía y la disponibilidad pueden ser escritos, respectivamente,

 

(Energía en) = (Energía en el producto) + (pérdida de energía) 15. (Disponibilidad en) = (disponibilidad en producto) + (pérdida de disponibilidad) + (destrucción disponibilidad) 16. 

En estas ecuaciones, el término producto puede hacer referencia a trabajo en el eje o electricidad

desarrollado, una cierta transferencia de calor, una combinación deseada de calor y el trabajo, o, posiblemente,

una corriente de salida particular (o corrientes). Se entienden las pérdidas para incluir cosas tales como los

gases de residuos de calor y de holgura ventilados al THC entorno sin uso. El término destrucción en la

ecuación de la disponibilidad se refiere a la destrucción de la disponibilidad debido a las irreversibilidades

internas. Desde cualquiera punto de vista, la energía o la disponibilidad, un indicador de la eficacia con la

entrada se convierte en el producto es la relación (producto / entrada), es decir

 

= Energía en el producto / Energía en = 1 - [Pérdida / Entrada] (17)

Entropía 2001, 3 140

= Disponibilidad en el producto / Disponibilidad en = 1 - [(+ Destrucción Pérdida) / Entrada] (18)

 

Aquí, la eficiencia de exergía frecuencia ψ da una comprensión más fina de rendimiento que η.En el

cómputo de η, se le asigna el mismo peso a la energía si se convierte en trabajo mecánico o una corriente de

fluido de baja temperatura.Además, se centra la atención en la reducción de "pérdidas" para mejorar la eficiencia. El parámetro pesos ψ energía fluye por contabilidad de cada uno en términos de disponibilidad.Se

hace hincapié en que tanto las pérdidas y las irreversibilidades internas deben ser tratados con para mejorar el

rendimiento. En muchos casos se trata de las irreversibilidades que son más importantes y el más difícil de

tratar. 

Ecuaciones de eficiencia cada uno definir una clase de eficiencia debido a que un juicio se tiene que hacer

sobre lo que es el producto, lo que se cuenta como una pérdida, e incluso lo que se considera como la entrada.

Diferentes decisiones sobre éstas conducen a diferentes expresiones de eficiencia dentro de la clase.

 Otros tipos de expresiones segundos eficiencia ley también aparecen en la literatura. Uno de éstos,

apropiado sólo para dispositivos en estado estacionario, se calcula como la relación de la suma de la

disponibilidad de salir a la suma de la entrada disponibilidad. Otra clase de eficiencia de segunda ley se

compone de la eficiencia de la tarea.

 5 Ejemplos ilustrativos 

A continuación ofrecemos cuatro ejemplos ilustrativos sobre (i) la generación de entropía en los procesos

de transferencia de calor, (ii) generación de entropía en una pared, (iii) la generación de entropía asociada a la

transferencia de calor y, por último (iv) un sistema de almacenamiento de energía sensible. Estos ejemplos

destacan la importancia de estos conceptos y mostrar los hechos en aplicaciones de ingeniería térmica.

 5.1 Ejemplo Ilustrativo 1 

Una fuente de calor a 800 K pierde 2.000 kJ de calor a un disipador al (a) 500 K y (b) 750 K. Determinar

qué proceso de transferencia de calor es más irreversible [10].

 Solución: Un bosquejo de los embalses se muestra en la figura. 6.Ambos casos implican la transferencia de

calor a través de un diferencia de temperatura finita, y por lo tanto ambos son irreversibles.La magnitud de la

irreversibilidad asociada con cada proceso se puede determinar mediante el cálculo de la variación total de

entropía para cada caso. El cambio total de entropía para un proceso de transferencia de calor que implica dos

embalses (una fuente y un sumidero) es la suma de los cambios de entropía de cada depósito desde que los dos

embalses forman un sistema adiabático.

 ¿No es verdad? El planteamiento del problema da la impresión de que los dos depósitos están en contacto

directo durante el proceso de transferencia de calor. Pero esto no puede ser el caso ya que la temperatura en un

punto sólo puede tener un valor, y por lo tanto no puede ser 800 K en un lado del punto de contacto y 500 K en el

otro lado. En otras palabras, la función de temperatura no puede tener una discontinuidad de salto. Por lo tanto, es

razonable suponer que los dos depósitos están separados por un tabique a través del cual la temperatura baja de 800

K por un lado a 500 K (o 750 K) en el otro. Por lo tanto, la variación de entropía de la partición también debe ser

considerado en la evaluación de la variación total de entropía para este proceso. Sin embargo, teniendo en cuenta

que la entropía es una propiedad y los valores de las propiedades depende del estado de un sistema, podemos

argumentar que el cambio de entropía de la partición es cero, ya que la partición parece que atravesó

Entropía 2001, 3 []

 

un proceso continuo y por lo tanto no experimentó ningún cambio en sus propiedades en cualquier

punto.Basamos este argumento en el hecho de que la temperatura en ambos lados de la partición y por lo tanto

todo se mantuvo constante durante este proceso. Por lo tanto, estamos justificado asumir que Δ S partición = 0

puesto que la entropía (así como la energía) el contenido de la partición se mantuvo constante durante este

proceso.Desde cada depósito se somete a un proceso isotérmico internamente reversible, el cambio de

entropía para cada depósito puede ser determinada a partir Δ S = Q / T donde T 0 0 es la temperatura absoluta

constante del sistema y Q es la transferencia de calor para el proceso internamente reversible . (A) Para el proceso de transferencia de calor a un disipador a 500 K: 

              Δ fuente S = Q fuente / origen T = -2000 kJ / 800 K = -2,5 kJ / K Δ S = fregadero fuente Q / fuente T = 2000

kJ / 500 K = 4,0 kJ / K y 

S gen = Δ = Δ total S S fuente + Δ S hunden = (-2,5 + 4,0) kJ / K = 1,5 kJ / K Por lo tanto, se genera 1,5 kJ / K de la entropía durante este proceso. Tomando nota de que ambos embalses

han sometido a procesos internamente reversibles, toda la generación de entropía se llevó a cabo en la

partición.

 (B) La repetición de los cálculos en la parte (a) para una temperatura del disipador de 750 K, obtenemos 

              Δ fuente S = -2,5 kJ / K Δ S fregadero = 2,7 kJ / K y 

S gen = Δ total S = (-2,5 + 2,7) kJ / K = 0,2 kJ / K El cambio de entropía total para el proceso en la parte (b) es más pequeño, y por lo tanto es menos

irreversible.Esto se espera ya que el proceso en (b) implica una diferencia de temperatura más pequeña y por

lo tanto una irreversibilidad más pequeño.

 

Discusión: Las irreversibilidades asociadas con ambos procesos podría ser eliminada mediante la operación

de un Motor de calor de Carnot entre la fuente y el sumidero.Para este caso se puede demostrar que Δ total S =

0.  

 

 Figura 6. Esquema para el ejemplo de la generación de entropía durante los procesos de transferencia de calor.

Entropía 2001, 3

 5.2 Ejemplo Ilustrativo 2 

Considere la posibilidad de transferencia de calor constante a través de una 5-m ∙ 6 m de la pared de

ladrillo de una casa de un grosor de 30 cm.En un día cuando la temperatura del aire libre es de 0 ° C, la casa se

mantiene a 27 ° C. Las temperaturas de las superficies interior y exterior de la pared de ladrillo se miden a ser

de 20 ° C y 5 ° C, respectivamente, y la tasa de transferencia de calor a través de la pared es de 1035 W.

determinar la tasa de generación de entropía en la pared, y la tasa de generación de entropía total asociada a

este proceso de transferencia de calor [10].

 Solución: En primer lugar, tomamos la pared como el sistema (Fig. 7).Esta es una sistema cerrado ya que no

cruces de masas la frontera del sistema durante el proceso.Tomamos nota de que la variación de entropía de la

pared es cero durante este proceso ya que el estado y por lo tanto la entropía de la pared no cambian en

cualquier lugar de la pared. El calor y la entropía están entrando desde un lado de la pared, y dejando desde el

otro lado.

 Supuestos: (i) El proceso es constante, y por lo tanto la tasa de transferencia de calor a través de la pared es

constante. (Ii) La transferencia de calor a través de la pared es unidimensional.

 Análisis: La forma de la tasa de balance de entropía para la pared se simplifica a 

∙

∙

189,0

en - S gen Sistema S

Cambio de entropía Cambio deTasa de cambio

transferencia por entropía

energía renovable

∙ ∙

189,0 ⇒

(1035 W / 293 K) (1035 W / 278

189,0 0,191 W / K

/ T Q / T

en

 Por lo tanto, la tasa de generación de entropía en la pared es 0.191 W / K. 

Tenga en cuenta que la transferencia de entropía por el calor en cualquier ubicación es Q / T en ese lugar, y

la dirección de la transferencia de entropía es la misma que la dirección de la transferencia de calor.

Para determinar la tasa de generación de entropía total durante este proceso de transferencia de calor,

extendemos el sistema para incluir las regiones situadas a ambos lados de la pared que experimentan un

cambio de temperatura. Entonces, un lado de la frontera del sistema se convierte en la temperatura ambiente

mientras que el otro lado se convierte en la temperatura del aire libre. El balance de entropía para este sistema

extendido (sistema de entorno inmediato) será la misma que la dada anteriormente, a excepción de las dos

temperaturas límite será de 300 y 273 K en vez de 293 y 278 K, respectivamente.Entonces la tasa de

generación de entropía total se convierte en

 

(1035 W / 300 K) - (1035 W / 273 K) 0 0,341 W / Ktotal de total de

 Discusión: Tenga en cuenta que el cambio de entropía de este sistema extendido también es cero ya que el

estado del aire hace no cambiar en cualquier momento durante el proceso.Las diferencias entre las dos

generaciones entropía es 0.150 W / K, y representa la entropía generada en las capas de aire a ambos lados de

la pared. La generación de entropía en este caso se debe enteramente a la transferencia de calor irreversible a

través de una diferencia de temperatura finita.

Entropía 2001, 3 143 

 

Pared de ladrillo

∙

C

 Figura 7. Esquema para el ejemplo en la generación de entropía en una pared. 5.3 Ejemplo Ilustrativo 3 

Considere un dispositivo de pistón-cilindro de fricción contiene una mezcla líquido-vapor saturado de agua

a 100 ° C. Durante un proceso de presión constante, 600 kJ de calor se transfiere al aire circundante a 25 ° C.

Como resultado, parte del vapor de agua contenido en los cilindros se condensa. Determine (a) la variación de

entropía del agua y (b) la generación total de entropía durante este proceso de transferencia de calor [10].

Solución: En primer lugar, tomamos la agua en el cilindro como el sistema (Fig. 8).Esta es una sistema

cerrado ya que ningún masa cruza la frontera del sistema durante el proceso.Observamos que la presión y por

lo tanto la temperatura del agua en el cilindro permanecen constantes durante este proceso. Además, la

entropía del sistema disminuye el proceso debido a la pérdida de calor.

 Supuestos: (i) No hay irreversibilidades involucrados dentro de los límites del sistema, y por lo tanto el

proceso es internamente reversible. (Ii) La temperatura del agua se mantiene constante a 100 ° C en todas

partes, incluyendo los límites.

 Análisis: (a) Tomando nota de que el agua se somete a un proceso isotérmico internamente reversible, su cambio de entropía puede determinarse a partir 

Δ Sistema S = Q sistema / T = -600 KJ / (100 + 273) K = -1,61 KJ / K

 (B) Para determinar la generación total de entropía durante este proceso, consideramos que la syste m

extendido, que incluye el agua, el dispositivo de pistón-cilindro, y la región inmediatamente fuera del sistema

que experimenta un cambio de temperatura de manera que todo el límite de la sistema extendido está a la

temperatura circundante de 25 ° C. El balance de entropía para este sistema extendido (sistema de entorno

inmediato) los rendimientos

 

S + S cabo gen = Δ S sistema + S gen = Δ Sistema S

transferencia por calor energía renovable

 o               S gen = Q out / T b + Δ Sistema S = 600 kJ / (25 + 273) K + (-1,61 kJ / K) = 0,40 kJ / K La generación de entropía en este caso se debe enteramente a la transferencia de calor irreversible a través de

una diferencia de temperatura finita.

Entropía 2001, 3 pág 8

 Tenga en cuenta que el cambio de entropía de este sistema extendido es equivalente a la variación de

entropía del agua ya que el dispositivo de pistón-cilindro y el entorno inmediato no experimentan ningún

cambio de estado en cualquier momento, y por lo tanto cualquier cambio en cualquier propiedad, incluyendo

la entropía.

 Discusión Por el bien del argumento, considere el proceso inverso (es decir, la transferencia de 600 kJ de

calor desde el aire circundante a 25 ° C a agua saturado a 100 ° C) y ver si el incremento de la entropía

principio puede detectar la imposibilidad de este proceso.Esta vez, la transferencia de calor será para el agua

(ganancia de calor en lugar de la pérdida de calor), y por lo tanto el cambio de entropía de agua será 1,61 kJ /

K. Además, la transferencia de entropía en el límite del sistema ampliado tendrá la misma magnitud pero de

dirección opuesta. Esto dará lugar a una generación de entropía de -0,4 kJ / K. El signo negativo para la

generación de entropía indica que el proceso inverso es impossibl e.

 Para completar la discusión, vamos a considerar el caso en que la temperatura del aire circundante es una

cantidad diferencial por debajo de 100 ° C (por ejemplo 99.999 ... 9 ° C) en lugar de ser de 25 ° C. Este tiempo de transferencia, el calor del agua al aire saturado sur-redondeo se llevará a cabo a través de una

diferencia de temperatura diferencial representación reversibl este proceso e.Se puede demostrar que S = 0

gen para este proceso.

 Recuerde que los procesos reversibles son idealizadas procesos, y pueden ser abordados, pero nunca

encuentran a la realidad.

        

 Figura 8. Esquema para el ejemplo de la generación de entropía asociada con la transferencia de calor [10].

 Además Discusión sobre Entropía Generación relacionados con un proceso de transferencia de calor: En el ejemplo anterior se determina que 0,4 kJ K de la entropía se genera / durante el proceso de transferencia

de calor, pero no está claro dónde exactamente la generación de entropía lleva a cabo, y cómo. Para

determinar la ubicación de la generación de entropía, tenemos que ser más precisos acerca de la descripción

del sistema, sus alrededores, y los límites del sistema.

 

En este ejemplo, asumimos tanto el sistema y el aire circundante para ser isotérmica a 100 ° C y 25 ° C,

respectivamente. Esta suposición es razonable si ambos fluidos se mezclan bien. La superficie interior de la

pared debe ser también a 100 ° C, mientras que la superficie exterior es de 25 ° C ya que dos cuerpos en

contacto físico deben tener la misma temperatura en el punto de contacto. Teniendo en cuenta que la

transferencia de entropía con la transferencia de calor Q a través de una superficie a temperatura constante T

es Q / T, la transferencia de entropía del agua en la pared es Q / T sys = 1,61 kJ / K. Asimismo, la transferencia

de entropía de la superficie exterior de la pared en el aire circundante es Q / T surr = 2,01 kJ / K. Obviamente,

la entropía en la cantidad de (2,01 a 1,61) = 0,4 kJ K se genera / en la pared, como se ilustra en la fig. 9b. 

La identificación de la ubicación de la generación de entropía nos permite determinar si un proceso es

internamente reversible. Un proceso es internamente reversible si no hay entropía se genera dentro de los límites

del sistema.

Entropía 2001, 3 75

 Por lo tanto, el proceso de transferencia de calor se discute en el ejemplo anterior es internamente reversible si

la superficie interior de la pared se toma como el límite del sistema, y por lo tanto el sistema excluye la pared

del recipiente. Si se toma el límite del sistema a ser la superficie externa de la pared del recipiente, entonces el

proceso ya no es internamente reversible desde la pared, que es el sitio de generación de entropía, es ahora

parte del sistema.

 Para paredes delgadas, es muy tentador hacer caso omiso de la masa de la pared y la pared a considerar

como el límite entre el sistema y el entorno. Esta elección aparentemente inofensivo oculta el sitio de la generación de entropía de la vista y es una fuente de confusión. La temperatura en este caso cae

repentinamente de T sys a T surr en la superficie límite, y la confusión que surge es que la temperatura para

utilizar en la relación Q / T para la transferencia de entropía en el límite.

 Tenga en cuenta que si el sistema y el aire circundante no son isotérmica como resultado de una mezcla

insuficiente, entonces parte de la generación de entropía se producirá tanto en el sistema y el aire circundante

en las proximidades de la pared, como se muestra en la figura. 9c.

          

          Figura 9. Representación esquemática de la generación de entropía durante un proceso de transferencia de calor a través de un finito diferencia de temperatura [10].

 5.4 Ejemplo Ilustrativo 4 

En este ejemplo, consideramos un sistema de almacenamiento de energía sensible (SES) que abarca tres

procesos tales como la carga, almacenamiento y descarga (Figura 10) con el fin de distinguir los conceptos de

energía y exergía claramente, y poner de relieve la importancia de la exergía como una herramienta potencial

para la práctica sistemas termodinámicos.

 1) Considere dos sistemas de SES, X e Y, en un ambiente a una temperatura de 25 ° C. Cada uno recibe

104.650 kJ de calor de una corriente de 500 kg de agua, que se enfría desde 80 hasta 30 ° C. Por lo tanto, la

entrada de calor a cada uno de la unidad de almacenamiento durante el período de carga es

 

Q; = m i c p Δ T = 500 x 4,186 x (80 - 30) = 104.650 kJ

Entropía 2001, 3 146

 Para el sistema X: Después de un día de calor en la cantidad de 94.185 kJ se recupera durante el periodo de descarga del sistema

de almacenamiento X por una corriente de 4.500 kg de agua que se está calentando 30-35 ° C. Es decir,

Q o = m o cp Δ T = 4,500 x 4,186 x (35 - 30) = 94.185 kJ Por lo tanto, la eficiencia energética para el sistema SES X se convierte en 

η x = Q o / Q i = 94.185 / 104.650 = 0,90 Calor expulsado en el entorno durante el almacenamiento es: 

Q r = Q, - Q o = 104.650 - 94.185 = 10.465 kJ 

Para el sistema de Y: Para el sistema de almacenamiento de Y, el calor recuperado durante la descarga, la eficiencia energética y el

rechazo de calor a los alrededores se pueden evaluar de una manera similar. En este sentido, el sistema de

almacenamiento tiendas Y el calor durante 90 días, después de lo cual se recupera una cantidad de energía de

94 kJ 185 durante el período de descarga por calentamiento de una corriente de 500 kg de agua 30-75 ° C, con

la energía resultante eficiencia del ciclo de almacenamiento como sigue:

Q o = m o cp Δ T = 500 x 4,186 x (75 - 30) = 94.185 kJ Por lo tanto, la eficiencia de energía para el sistema SES Y se puede encontrar como iguales que el almacenamiento de X. 

η x = Q o / Q i = 94 185/104 650 = 0,90 El valor de rechazo de calor a los alrededores durante el almacenamiento es: 

Q r = Q, - Q o = 104 650-94 185 = 10.465 kJ Es útil mencionar que la capacidad de almacenamiento de calor sensible en un tanque determinado (o

contenedor) depende fuertemente al mismo tiempo en el valor para el material de ρ c p.

 Como resultado, ambos sistemas de almacenamiento tienen la misma eficiencia energética cuando se

calcula considerando la primera ley de la termodinámica, pero el sistema de almacenamiento de Y, que

almacena el calor durante 90 días en lugar de un día, y que devuelve el calor en el mucho más útil temperatura

de 75 en lugar de 35 ° C, da un considerable alto rendimiento. Está claro que una medida más perspicaz de la

comparación que la proporcionada por la eficiencia energética del ciclo de almacenamiento que se necesita si

la verdadera utilidad de un SES es que deben evaluarse y una base racional para la optimización de su valor

económico establecido. Por lo tanto, es necesario introducir la eficiencia exergía, que es una medida de la

eficacia del sistema de SES. Una eficacia definido simplemente como el porcentaje de la energía total

almacenada en un sistema que se puede recuperar ignora la calidad (disponibilidad) de la energía recuperada,

y así no puede proporcionar una medida del rendimiento ideal como se mencionó anteriormente. Es obvio que

la definición eficiencia exergía proporciona una mejor medida.

Entropía 2001, 3 147

 2) Considere el ejemplo antes mencionado de sistemas SES X e Y. En los casos correspondientes, se realizó

un análisis de exergía a continuación. Las eficiencias de exergía se pueden obtener fácilmente usando las

ecuaciones enumeradas en la Tabla 3. El cambio de exergía durante el período de carga se puede obtener

como

 

A i = m j c p [(T 1 - T 2) - T 0 (ln (T 1 / T 2)] = 500 x 4,186 x [(353-303) - 298 x (In (353/303)] = 9386.88 kJ

 Para el sistema X: El cambio de exergía durante el período de descarga para el sistema de almacenamiento X se puede calcular como sigue: 

A o = m o c p [(T 1 - T 2) - T 0 (ln (T 1 / T 2)] = 4,500 x 4,186 x [(308-303) - 298 x (En (308/303)] = 2310.18 kJ

 Por lo tanto, la eficiencia de exergía para el almacenamiento X se convierte 

ψ x = A o / A i = 2.310,18 / 9.386,88 = 0,25 Para el sistema de Y: Como se mencionó anteriormente, el calor se recupera del almacenamiento después de 90 días por una

corriente de 500 kg de agua que entra a 30 ° C y dejando a 75 ° C. El cambio de exergía y la eficiencia de

sistema de almacenamiento de Y se pueden obtener como sigue:

     i (minutos, ej: 07) Q r, 1

 o  1 Tiempo de carga    Q r, 2

   2 Período de Almacenamiento  

 

 i (minutos, ej: 07) 3 Período de Descarga de  Figura 6. Esquema de tres subprocesos de un sistema de almacenamiento de energía sensible.

Entropía 2001, 3 148 

A o = m o c p [(T 1 - T 2) - T 0 (ln (T 1 / T 2)] = 500 x 4.186 x [(348-303) - 298 x (En (348/303)] = 7819.52 kJ 

ψ y = A o / A i = 7.819,52 / 9.386,88 = 0,83 Como resultado, se puede observar en el ejemplo que para ambos sistemas de almacenamiento de energía se

convirtieron en las eficiencias de la misma como 90% a pesar de tener dos períodos de almacenamiento

diferentes. Esto significa que la primera ley de la termodinámica no es suficiente para distinguir estos dos

sistemas separados de SES que se ejecutan en dos períodos diferentes de almacenamiento. Este requisito trae

vanguardia exergía como una herramienta más capaz. Por esta razón, la distinción se puede hacer fácilmente

entre dos sistemas de almacenamiento (X e Y) mediante el uso de análisis de exergía, resultando en dos

eficiencias de exergía diferentes como 25% para el sistema X y 83% para el sistema de Y. Esto es debido a Y

que tiene la ventaja sobre SES sistema X, debido a la temperatura más alta y por lo tanto un mayor contenido

de disponibilidad. Este ejemplo da algunos ejemplos prácticos de los conceptos más abstractos discutidos

antes y pone de relieve la importancia de comprender y considerar la exergía, en lugar de la energía en la que

la exergía es más eficaz y más eficiente herramienta para el análisis del rendimiento de los sistemas de SES.

Los resultados son fiables para los sistemas de almacenamiento de energía

 En resumen, algunas ventajas intuitivas de análisis exergético se pueden enumerar de la siguiente manera:                        Proporciona más adecuada contabilidad de la pérdida de disponibilidad de calor en el sistema de

SES mediante la conservación de los principios de masa y energía, junto con la segunda ley de la termodinámica de los objetivos de diseño y análisis.                       Se da información más significativa y útil que el análisis de la energía con respecto a los de

eficiencia, pérdidas y rendimiento de los sistemas de SES.                       Es más correcto que refleja los valores termodinámicos y económicos de la operación de los

sistemas de SES.                       Es una técnica eficaz que revela o no y en qué medida es posible diseñar sistemas de SES más

eficientes mediante la reducción de las ineficiencias en las unidades existentes.

 6 Conclusiones En una perspectiva más amplia (a excepción del cero y la tercera ley de la termodinámica), podemos definir la

termodinámica como ciencia de la energía, exergía y entropía. Aparentemente, la FLT se refiere al análisis de

energía que sólo identifica las pérdidas de trabajo y mejoras potenciales o el uso eficaz de los recursos, por

ejemplo, en un proceso de estrangulación adiabática. Sin embargo, el SLT, es decir, el análisis de exergía

toma la porción de entropía en cuenta al incluir irreversibilidades. Durante la última década exergía estudios

relacionados han recibido considerable atención por parte de diversas disciplinas que van desde la ingeniería

química a la ingeniería mecánica, de ingeniería ambiental con la ecología y así sucesivamente. Como

consecuencia de esto, hace poco tiempo, la comunidad internacional exergía se ha ampliado mucho.

Entropía 2001, 3 149 7 Referencias 

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